Abstract
La silicose est la pneumoconiose la plus répandue dans le monde, avec une prévalence et une incidence plus élevées dans les pays en développement. À ce jour, il n’existe aucun traitement efficace pour arrêter ou inverser la progression de la maladie causée par les lésions pulmonaires induites par la silice. Des progrès significatifs doivent être réalisés afin de réduire la morbidité et la mortalité liées à la silicose. Dans cette revue, nous avons mis en évidence les principaux mécanismes d’action à l’origine des lésions pulmonaires provoquées par les particules de silice et résumé les données concernant la promesse thérapeutique de la thérapie cellulaire pour la silicose.
1. Introduction
Le processus d’industrialisation a régulièrement augmenté l’exposition professionnelle des travailleurs aux particules respirables dans de nombreux environnements de travail. Parmi ces particules, le dioxyde de silicium, ou silice, joue un rôle important dans la charge des maladies professionnelles respiratoires. L’inhalation de particules de silice provoque la silicose : une inflammation persistante avec formation de granulomes qui entraîne un remodelage des tissus et une altération de la fonction pulmonaire. La tuberculose, les maladies pulmonaires obstructives chroniques et la polyarthrite rhumatoïde sont des complications courantes associées à la silicose. L’exposition à long terme à la silice peut également provoquer un cancer du poumon. À ce jour, la prise en charge de la silicose se concentre sur le contrôle des symptômes associés et des comorbidités, et aucun traitement ne permet d’arrêter ou d’inverser la progression de la maladie. Au stade final de la maladie pulmonaire, le patient succombe à la mort en raison d’une insuffisance respiratoire .
Au cours des dernières décennies, de nombreux efforts ont été déployés pour prévenir l’inhalation de poussière de silice par les travailleurs ; cependant, la silicose reste un problème de santé publique dans le monde entier avec une prévalence plus élevée dans les pays en développement . Au Brésil, Holanda et ses collaborateurs ont montré une prévalence de la silicose de 33 % chez les creuseurs de puits dans l’État de Ceará et plus de 4 500 cas de silicose chez les mineurs d’or entre 1978 et 1988 dans l’État de Minas Gerais . Actuellement, on estime que plus de 6 millions de travailleurs sont quotidiennement exposés à la silice dans divers secteurs d’activité au niveau national. La Chine a signalé plus de 500 000 patients atteints de silicose entre 1991 et 1995, avec environ 6 000 nouveaux cas et plus de 24 000 décès par an. En Inde, 10 millions de travailleurs sont exposés à la poussière de silice avec un risque élevé de développer la maladie .
La silicose est également un problème de santé professionnelle dans les pays développés. Plus de 3 millions de travailleurs ont été exposés à des particules de silice entre 1990 et 1993 en Europe, dont 600 000 au Royaume-Uni . Aux États-Unis, plus de 100 000 travailleurs ont été exposés à la poussière de silice et plus de 3 500 nouveaux cas ont été enregistrés chaque année entre 1987 et 1996. La mise en œuvre de mesures de protection a permis de réduire le nombre de nouveaux cas de silicose et le taux de mortalité. Cependant, la silicose reste incurable et de nouvelles épidémies se produisent, comme l’exposition des travailleurs d’un conglomérat de quartz en Espagne, où l’âge médian de la cohorte était de 33 ans. En outre, on constate une expansion du nombre d’environnements de travail avec une exposition potentielle à la poussière de silice, comme le sablage de jeans et le quartz.
Un nombre croissant d’articles ont montré l’efficacité de l’administration systémique ou intratrachéale de cellules souches dans plusieurs modèles animaux de lésions pulmonaires . Parmi celles-ci, les cellules de la moelle osseuse sont les plus étudiées. Elles ont été capables de favoriser la réépithélisation du parenchyme pulmonaire, de moduler la réponse immunitaire et de réduire le remodelage tissulaire. La silicose a un processus pathogénique unique, dans lequel la phagocytose et la libération de particules de silice dans le tissu pulmonaire entraînent la progression de la maladie. Cette revue met en évidence les principaux mécanismes d’action de la poussière de silice dans l’environnement alvéolaire et comment la thérapie cellulaire peut aider les patients atteints de silicose en modulant l’inflammation, en réduisant la fibrose et, ainsi, en améliorant la fonction pulmonaire.
2. Pathogenèse : Le cycle des dommages dans le tissu pulmonaire
Les particules de silice qui surmontent le mécanisme de défense mucociliaire dans les voies respiratoires et atteignent les portions distales dans le poumon commencent la cascade de pathogenèse. Les particules les plus pathogènes pour l’homme sont celles de moins de 10 μm, car elles ont l’aérodynamisme nécessaire pour atteindre les bronchioles et les alvéoles.
La silicose est orchestrée par un cycle de phagocytose et de libération de ces particules qui entraîne des lésions épithéliales, un remodelage pulmonaire et une réduction de la zone d’échange gazeux. Les dommages pulmonaires induits par la silice se produisent par cinq mécanismes principaux (Figure 1) : (1) cytotoxicité directe, (2) génération d’espèces réactives, (3) production de cytokines et de chimiokines, (4) fibrose, et (5) mort cellulaire par apoptose .
Les particules de silice présentent une propriété piézoélectrique, ce qui signifie que sous une certaine pression appliquée, les cristaux acquièrent une polarité électrique. Cela donne la capacité à la poussière de silice de provoquer une cytotoxicité directe. Les particules réagissent avec les cellules résidentes et provoquent une peroxydation lipidique de la membrane des cellules broncho-alvéolaires. Les particules nouvellement fracturées sont les plus cytotoxiques, car elles peuvent générer davantage de radicaux libres en milieu aqueux qui perturbent la membrane plasmique et libèrent des enzymes lysosomales, provoquant ainsi des dommages tissulaires .
Les espèces réactives de l’oxygène (ERO) et les espèces réactives de l’azote (RNS) sont des produits chimiques hautement réactifs souvent produits pour le système de défense biologique contre les agents nocifs. Cependant, l’interaction entre les macrophages alvéolaires et les particules de silice provoque un éclatement respiratoire avec une forte consommation d’oxygène, une augmentation des niveaux de synthèse d’oxyde nitrique inductible (iNOS) et la production de ROS, ce qui est dommageable pour les cellules pulmonaires . Parmi les ROS/RNS, l’oxyde nitrique joue un rôle essentiel dans la pathogenèse de la silicose. L’oxyde nitrique est formé à partir de la conversion de l’acide aminé L-arginine en L-citrulline en présence d’iNOS, qui interagit ensuite avec le superoxyde et forme du peroxynitrite qui endommage les mitochondries et l’ADN, et inactive plusieurs protéines .
Le stress oxydatif active des facteurs de transcription, tels que le facteur nucléaire kappa B (NF-κB) et la protéine activatrice 1 (AP-1) . L’interaction de la silice avec les macrophages et les cellules épithéliales transloque le NF-κB du cytoplasme vers le noyau, où il se lie à l’ADN, amorçant la transcription et la traduction des gènes impliqués dans les processus inflammatoires et fibrogènes. La libération de cytokines, de chimiokines, de médiateurs lipidiques et de facteurs de croissance recrute des cellules polymorphonucléaires et mononucléaires dans les espaces alvéolaires et autour des particules de silice, ce qui contribue à la formation de granulomes.
Leukotriène B4 est un médiateur lipidique que les mastocytes produisent en réponse à la stimulation de la silice. Le leucotriène B4 augmente la quantité de neutrophiles dans le site de l’inflammation, et il est également impliqué dans la tumorigenèse . En outre, la protéine inflammatoire de macrophage (MIP-1) et la MIP-2 sont des chimiokines qui augmentent le nombre de macrophages en réponse aux lésions pulmonaires induites par la silice. Les macrophages sont les premières cellules à interagir avec les particules de silice et cette interaction peut activer une série de signaux extracellulaires qui conduisent à la polarisation de ces cellules. Les macrophages M1 sont responsables des réponses antimicrobiennes et inflammatoires, et les cellules sont polarisées vers ce phénotype en présence d’iNOS. Les macrophages se polarisent vers le phénotype M2 en réponse à l’arginase, et dans ce cas, ils sont impliqués dans la résolution de l’inflammation et la réparation des tissus .
Dans les macrophages alvéolaires, les récepteurs scavenger- (SR-) A et MARCO (récepteur de macrophage à structure collagénique) reconnaissent et phagocytent les particules pour les éliminer des alvéoles . Néanmoins, le knock-out de MARCO augmente l’inflammation après l’exposition à la silice chez la souris, en raison d’une perméabilisation accrue de la membrane lysosomale et de l’activation de l’inflammasome . Une fois que la silice active l’inflammasome NLRP3 (NOD-like receptor, pyrin domain containing 3), le clivage de la caspase-1 et la production de cytokines se produisent, comme l’interleukine- (IL-) 18 et l’IL-1β .
Pendant l’inflammation induite par la silice, les cellules épithéliales et les macrophages alvéolaires sécrètent respectivement l’IL-1α et l’IL-1β . Ces deux cytokines sont impliquées dans l’activation des fibroblastes et le dépôt de collagène. L’IL-1α et l’IL-1β sont des agonistes, tandis que l’antagoniste du récepteur de l’IL-1 (IL-1Ra) apparaît naturellement en réponse à l’inflammation et il peut inhiber les effets de l’IL-1 . En outre, l’IL-1β et le facteur de nécrose tumorale- (TNF-) α augmentent l’expression de l’IL-6, un autre médiateur impliqué dans la progression de la maladie .
L’expression accrue du TNF-α au cours de la silicose entraîne le recrutement et la prolifération des fibroblastes . Le TNF-α peut également se connecter au récepteur de la mort cellulaire et démarrer la cascade d’apoptose. Le knock-out au ligand de Fas (FasL) chez les souris et l’utilisation d’anticorps anti-TNF ont été capables de prévenir la lésion pulmonaire induite par la silice .
Une fois que les fibroblastes ont été recrutés sur le site de la lésion, le facteur de croissance transformant- (TGF-) β induit le dépôt de collagène , ainsi que la production accrue d’élastine . L’expression accrue des métalloprotéases- (MMP-) 2 et MMP-9 et l’inhibition de l’inhibiteur tissulaire de la métalloprotéase- (TIMP-) 1 et TIMP-2 provoquent une restructuration du parenchyme pulmonaire au cours de la maladie. L’augmentation des dommages tissulaires causés par les particules de silice, la dégradation de la matrice extracellulaire par les MMP et l’exacerbation du dépôt concentrique de collagène sont responsables de la formation de granulomes et du remodelage pulmonaire qui altère la fonction pulmonaire.
Le processus d’apoptose résulte du dysfonctionnement mitochondrial et de l’augmentation de l’expression des récepteurs de mort et de leurs ligands, tels que FasL et TNF . Outre le stress oxydatif, les particules de silice entraînent une perte du potentiel de la membrane mitochondriale, qui est suivie de l’activation de la caspase-9 et de la caspase-3 et de la fragmentation de l’ADN. Pendant l’apoptose, les cellules libèrent des facteurs chimiotactiques qui recrutent de nouvelles cellules inflammatoires, augmentant ainsi l’inflammation. Fait important, les macrophages subissant l’apoptose libèrent également des particules de silice dans le parenchyme pulmonaire, où elles sont à nouveau phagocytées par d’autres macrophages, perpétuant ainsi le cycle de dommages tissulaires .
3. Traitement de la silicose : Toujours un besoin non satisfait
Malgré la bonne dose d’indignation face à la persistance épidémiologique de la silicose, peu de choses ont été réalisées en termes de développement de traitements. La recherche d’une thérapie satisfaisante pour la silicose se déroule à un rythme beaucoup plus lent que pour d’autres maladies pulmonaires chroniques. Seuls deux essais cliniques enregistrés ont été conclus au cours des 10 dernières années sur les traitements de la silicose , laissant un vide à combler spécialement par les pays en développement, tels que le Brésil, l’Inde et la Chine, dans lesquels la prévalence de la silicose facilite la disponibilité des sujets pour les essais cliniques.
La gestion de la silicose consiste à utiliser des bronchodilatateurs/médicaments contre la toux, à prévenir l’exposition aux irritants et à surveiller étroitement les infections respiratoires. La corticothérapie peut être utilisée pour réduire la bronchite et améliorer les symptômes en tant que traitement à court terme, mais ses effets positifs à long terme n’ont pas été prouvés ; elle présente l’inconvénient d’augmenter le risque d’infections . Les composés à base d’aluminium ont été largement étudiés pour leur capacité à enrober les particules de silice, réduisant la réactivité des cristaux et protégeant ainsi le tissu pulmonaire. Néanmoins, malgré les bons résultats obtenus dans les modèles expérimentaux, les études cliniques n’ont pas montré d’efficacité ou d’effets durables du traitement à l’aluminium chez l’homme. Le polyvinyl-pyridine-N-oxyde (PVNO), un polymère capable de promouvoir des effets cytoprotecteurs dans des modèles in vivo et in vitro de fibrose induite par la silice, a également été largement testé. L’utilisation prophylactique et thérapeutique du PVNO a donné des résultats positifs dans les modèles animaux mais a eu peu d’efficacité chez l’homme. La PVNO a retardé la progression de la fibrose chez les patients dans une petite étude clinique mais n’a pas modifié le résultat trois ans après le traitement et a eu un effet thérapeutique limité en fonction de facteurs tels que l’âge et la gravité de la maladie dans une autre étude. Un autre médicament qui a été testé pour le traitement de la silicose est la tetrandrine, un alcaloïde végétal. Il a toujours été utilisé pour le traitement de la pneumoconiose en médecine chinoise et son utilisation thérapeutique pour la silicose a été approuvée par l’Administration nationale des médicaments de Chine. La tétrandrine, seule ou en association avec d’autres médicaments, a été testée chez l’animal et chez l’homme. Cependant, des essais cliniques robustes avec des critères objectifs sont encore nécessaires pour prouver son efficacité clinique.
En raison du rôle prépondérant de l’IL-1β dans la physiopathologie de la silicose, cibler cette cytokine pourrait être une option intéressante de traitement de la silicose. Dans des modèles expérimentaux, l’inhibition de l’IL-1 a entraîné une réduction de l’expression du TGF-β1, du collagène I et de la fibronectine dans les poumons et a également réduit la fibrose et l’inflammation dans les reins et le cœur. L’utilisation d’un antagoniste du récepteur de l’IL-1 a également réduit la fibrose et la taille des nodules fibrotiques chez les souris. Un seul rapport d’utilisation du médicament anakinra – un antagoniste du récepteur de l’IL-1 – a montré une amélioration des symptômes respiratoires et une amélioration notable des images radiologiques après six mois de traitement chez un homme de 37 ans .
Le lavage du poumon entier semble avoir un impact positif dans la gestion de la silicose, améliorant le pronostic des patients et réduisant l’infiltration pulmonaire, bien qu’il n’y ait aucune preuve que cette approche suffise à prévenir la progression de la maladie .
D’autres approches ont été testées dans des modèles expérimentaux : l’utilisation d’interféron gamma , d’acide ascorbique , de bêta-aminopropionitrile , de relaxine , d’oligodéoxynucléotides suppressifs , de palmitate de méthyle , de N-acétyl-cystéine , de Dasatinib et de Nintedanib , et l’antagonisme/blocage de l’IL-13 et de l’IL-17A , ainsi que l’utilisation du micro-ARN miR-486-5p et la thérapie génique avec un ARN en épingle à cheveux courte pour réduire au silence la β-caténine . Toutes ces méthodes ont exercé des effets positifs dans des modèles animaux, notamment en réduisant la fibrose pulmonaire, mais n’ont pas été traduites en essais cliniques jusqu’à présent.
En tant que dernière ressource, la transplantation pulmonaire est indiquée aux patients qui n’ont plus d’options pharmacologiques. Néanmoins, la survie à long terme après la transplantation a un mauvais pronostic .
4. Thérapie à base de cellules : Du banc au chevet
La première greffe de moelle osseuse a été réalisée en 1962, afin d’utiliser les cellules souches hématopoïétiques récemment découvertes pour rétablir une physiologie correcte dans la moelle osseuse d’un patient .
En 1981, les cellules souches embryonnaires ont été décrites par Evans et Kaufman comme des cellules pluripotentes dérivées de la masse interne d’un embryon murin, changeant le paradigme du potentiel des cellules souches . Plus récemment, des cellules souches et des cellules semblables ont été découvertes dans presque tous les tissus adultes. La transplantation cellulaire a commencé à être considérée comme un traitement possible pour de nombreuses maladies, en raison du potentiel des cellules souches à se différencier et à remplacer les cellules endommagées dans les tissus cibles. De plus, la transplantation cellulaire a exercé des effets bénéfiques dans de multiples modèles de maladies indépendamment de la localisation ou de la différenciation des cellules, mettant en évidence un effet paracrine/endocrine des cellules .
Les thérapies cellulaires ont l’avantage de moduler l’inflammation et d’affecter le processus de remodelage de manière concomitante, sans présenter de toxicité ou d’immunosuppression. Ces propriétés font de la thérapie cellulaire une approche thérapeutique exceptionnellement avantageuse pour les maladies pulmonaires fibrotiques, dont la silicose. Plusieurs études précliniques ont exploité cette approche pour le traitement de la silicose (tableau 1).
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| BMDC : cellules dérivées de la moelle osseuse ; BMMC : cellules mononucléaires de la moelle osseuse ; BMSC : cellules stromales mésenchymateuses de la moelle osseuse ; HUES : cellules souches embryonnaires humaines ; i.t. : intratrachéale ; i.v. : intraveineuse. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
La source de cellules adultes la plus étudiée pour la thérapie cellulaire est la moelle osseuse. La moelle osseuse contient une multitude de cellules à différents stades de différenciation. Parmi ces cellules, les cellules souches hématopoïétiques sont particulièrement importantes pour leur capacité à se différencier en cellules immunitaires et à moduler la prolifération et l’activité des cellules immunitaires . Néanmoins, dans le pool de cellules présentes dans la moelle osseuse, les cellules qui jouent un rôle essentiel dans l’entretien, la promotion de la croissance et la survie d’autres cellules pourraient avoir un potentiel thérapeutique encore plus important. Ces cellules sont appelées cellules stromales mésenchymateuses et, au-delà de leurs propriétés stromales, elles sont également multipotentes. Il a été démontré que tant le pool de cellules mononucléaires présentes dans la moelle osseuse que les cellules stromales seules pouvaient améliorer un large éventail de maladies inflammatoires. En outre, la thérapie cellulaire a eu des effets positifs dans des modèles de maladies fibrotiques pulmonaires telles que l’asthme, la BPCO et la fibrose pulmonaire induite par la bléomycine. Les essais cliniques sur la thérapie cellulaire pour les maladies pulmonaires progressent, et des études ont été enregistrées en Europe, au Brésil, en Australie, au Canada et aux États-Unis .
En 2009, notre groupe a publié le premier travail utilisant la thérapie cellulaire dans un modèle murin de silicose. Lassance et al ont utilisé une perfusion locale d’une population de cellules mononucléaires adhérentes (BMDC) et ont évalué les effets en deux points temporels. Les résultats ont montré une réduction du processus d’inflammation trente jours après le traitement, améliorant ainsi la fonction pulmonaire ; mais ces effets bénéfiques ont semblé s’estomper dans les soixante jours . Un suivi de cette étude a été publié en 2013, montrant que des doses multiples de BMDC empêchent la progression de la maladie. Deux perfusions de cellules de moelle osseuse ont réduit l’inflammation (surface fractionnée du granulome et nombre de macrophages totaux et M1), le remodelage pulmonaire (niveau de TGF-β, dépôt de collagène et de fibres élastiques) et l’apoptose (niveau de caspase-3 et nombre de cellules apoptotiques). Tous ces effets entraînent une amélioration des paramètres de la mécanique pulmonaire. Un niveau accru d’IL-1Ra semble avoir un rôle dans les effets soutenus de la thérapie cellulaire pendant une plus longue période dans le même modèle de silicose.
En 2011, une étude utilisant le pool entier de cellules mononucléaires dérivées de la moelle osseuse (BMMC) chez la souris a montré des propriétés prophylactiques sur les dommages pulmonaires induits par la silice. La perfusion systémique de BMMC a réduit l’expression de l’ARNm de la caspase-3, de l’IL-1β, de l’IL-1α et du TGF-β . En outre, le traitement thérapeutique avec des BMMC dans les stades tardifs de la silicose a pu réduire la fibrose pulmonaire et améliorer la fonction pulmonaire, mais n’a pas réussi à inverser l’inflammation. Une réduction du nombre de macrophages s’est accompagnée d’une expansion des cellules régulatrices T, qui ont maintenu l’infiltration cellulaire, tout en adoptant un profil inflammatoire différent. Les BMMC offrent les avantages de l’autogreffe, qui minimisent la possibilité de rejet et la récolte et la perfusion le même jour, sans expansion de culture in vitro.
Ces résultats nous ont encouragés à passer à un essai clinique de phase I pour tester la sécurité de l’autogreffe de cellules mononucléaires de moelle osseuse chez les patients silicotiques. Cinq patients ont subi une instillation de CMMB par bronchoscopie. Aucun effet indésirable n’a été observé chez ces patients jusqu’à un an après le traitement. De plus, une augmentation précoce de la perfusion pulmonaire a été observée après le traitement .
Les inconvénients de l’utilisation des cellules mononucléaires de la moelle osseuse sont le caractère invasif de la procédure – surtout si l’on considère que plusieurs doses peuvent être nécessaires pour obtenir des effets durables – et la variabilité de la constitution de la moelle osseuse. Les maladies inflammatoires chroniques peuvent affecter les proportions des populations de cellules de la moelle osseuse , rendant l’autogreffe possiblement hétérogène sur différents patients et stades de la maladie.
En guise d’alternative à cela, les cellules mésenchymateuses pourraient constituer une option intéressante pour la thérapie cellulaire dans la silicose. Zhao et ses collaborateurs ont montré que les cellules mésenchymateuses dérivées de la moelle osseuse (BMSC) favorisent l’amélioration de la fibrose et de l’inflammation dans un modèle de silicose chez le rat, avec de possibles mécanismes similaires à ceux associés à la thérapie par les BMMC : suppression de la signalisation de l’IL1 par l’intermédiaire de l’IL1-Ra et diminution de l’expression du TNF-α.
Les résultats d’un essai clinique utilisant des cellules stromales mésenchymateuses et une culture génétiquement modifiée de cellules mésenchymateuses ont été récemment publiés . Dans cette étude, l’administration de CSM n’a provoqué aucun effet indésirable et, après six mois, la saturation en oxyhémoglobine dans le sang des patients suggère une amélioration des échanges gazeux dans les poumons. Chez certains des patients, une diminution du nombre de nodules de silice a également été observée.
Un autre point de vue sur les mécanismes d’action de la thérapie par cellules mésenchymateuses dans la fibrose pulmonaire induite par la silice a été proposé par Choi et al. en 2014. Les auteurs suggèrent que les vésicules extracellulaires libérées par les BMSC sont des vecteurs de l’effet thérapeutique et pourraient être utilisées comme un traitement par elles-mêmes .
En outre, la thérapie cellulaire avec des cellules embryonnaires, comme approche de bio-ingénierie pour la reconstitution de l’épithélium lésé a été étudiée dans un modèle de blessure induite par la silice et a été en mesure de prévenir la fibrose et de diminuer la mortalité .
5. Conclusion
En raison du manque d’interventions thérapeutiques efficaces pour la silicose, la thérapie cellulaire constitue un traitement prometteur pour la silicose. Les effets clés de cette thérapie incluent la diminution des processus proinflammatoires et profibrotiques délétères, la réduction de l’apoptose et l’amélioration de la réparation suite aux dommages pulmonaires. Ces effets bénéfiques semblent être indépendants de la prise de greffe cellulaire, mais dus à une action paracrine/endocrine (par exemple, la sécrétion de médiateurs anti-inflammatoires et antifibrotiques, et de vésicules extracellulaires). Compte tenu du large éventail d’options de thérapie cellulaire, l’optimisation des protocoles de thérapie cellulaire et les avancées dans les essais cliniques peuvent conduire à une percée importante pour la gestion des patients touchés par cette maladie persistante.
Divulgation
Les financeurs n’ont aucun rôle dans la décision de publier ou de préparer l’article.
Conflit d’intérêts
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Contribution des auteurs
Miquéias Lopes-Pacheco et Elga Bandeira ont contribué à part égale à ce travail.
Reconnaissances
Le Conseil brésilien pour le développement scientifique et technologique (CNPq), la Coordination pour l’amélioration du personnel de niveau supérieur (CAPES) et la Fondation de recherche de l’État de Rio de Janeiro Carlos Chagas Filho (FAPERJ) ont soutenu ce travail.